[發明專利]一種乏燃料貯存格架用高體積分數B4C/Al復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201510367310.1
• 申請日: 2015-06-29
• 公開（公告）號: CN104946911B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 武高輝;姜龍濤;徐中國;康鵬超;陳國欽;張強;修子揚;茍華松
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C22C1/02
• 分類號: C22C1/02;C22C21/00;C22C1/10
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種高體積分數B₄C/Al復合材料及制備方法。

背景技術

隨著核能的日益發展，乏燃料的貯存和運輸過程中的安全成為人們關心的主要問題之一。乏燃料是指在反應堆內燒過的核燃料，會以中子輻射為主，向周圍環境產生大量輻射，并對周圍環境和人類產生巨大危害，同時，每年都有大量的乏燃料從核反應堆中卸出；另一方面，我國核電工業的快速發展，也將導致乏燃料的大量產生，因此未來乏燃料的貯存將朝著高密集化、長期化發展，這對乏燃料貯存格架材料提出了新的要求。因此選擇具有優秀的中子屏蔽性能和力學性能的材料作為乏燃料貯存格架材料是解決目前以及未來乏燃料安全問題的最有效的方式。

常用的中子屏蔽材料有硼鋼、含硼聚乙烯板和B₄C/Al復合材料等。硼鋼具有良好的力學性能，但由于其含硼量有限，無法滿足乏燃料高密度貯存的要求；含硼聚乙烯板由于是樹脂基材料，容易發生老化發脆，導致其使用壽命短。B₄C/Al復合材料由于其低密度，良好的力學性能，同時可以通過工藝調節B₄C含量來提高吸收熱中子的能力，使其成為優秀的熱中子屏蔽材料。國際上主要有兩種B₄C/Al復合材料作為乏燃料貯存格架材料，即BORAL和METAMIC。BORAL是將鋁粉和碳化硼粉進行混合，放入鋁合金箱中并焊好密封，通過熱軋的工藝制得上下層為鋁薄板，中間層為均勻混合的碳化硼粉和鋁粉的板材，雖然BORAL的含碳化硼量可以達到65％，但其在使用過程中易發生起泡等現象。METAMIC也是將鋁粉和碳化硼粉進行混合，采用冷等靜壓、真空燒結和擠壓等工藝制備而成，但其含碳化硼量沒有BORAL高(45wt％)，同時制備工藝復雜，對設備要求高。

國內近些年對B₄C/Al復合材料開始了大量研究。專利號為CN102280156A，發明名稱為“一種鋁基碳化硼中子吸收板的制備方法”中采用球磨的方式，將氧化后的鋁粉、碳化硼粉、鈦粉、硅粉和硼酸晶體混合，采用粉末冶金及熱擠壓的方式制成B₄C/Al復合材料板材。但其含碳化硼量僅有30wt％，成本也較高。

專利號為CN102392148A，發明名稱為“一種鋁基碳化硼中子吸收復合材料的制備方法”中采用混粉、冷壓制坯和燒結工藝制備了含碳化硼量30wt％的B₄C/Al復合材料，同樣存在含碳化硼量低的問題。

專利號為CN102094132A，發明名稱為“B₄C/Al復合材料制備方法”中，采用混粉、冷壓制坯、真空燒結和多次熱軋的工藝制備了含B₄C量5％～35％的B₄C/Al復合材料，但同樣存在含B₄C低的問題。

專利號為CN102110484B，發明名稱為“一種乏燃料貯運用B₄C/Al中子吸收板的制備方法”中，同樣采用混粉、冷壓制坯和燒結工藝制備了含10wt％～65wt％的B₄C/Al復合材料，并將其裝入鋁合金框架中焊接密封再進行熱軋，最后制得B4C/Al中子吸收板。但當含B₄C量超過50wt％時，材料的致密度和力學性能明顯降低，無法滿足乏燃料高密度貯存的要求。

從以上的研究可以發現，B₄C/Al復合材料由于其優秀的中子吸收性能，在乏燃料屏蔽上具有非常廣闊的應用前景，國內外對此的研究也十分廣泛，然而面對未來乏燃料貯存高密集化、長期化的特點，提高B₄C含量對于B₄C/Al復合材料的發展是及其重要的。國內外針對B₄C/Al復合材料的研究，在制備方法上基本均選擇粉末冶金工藝，這種工藝制備的B₄C/Al復合材料體積分數不能超過50％，否則會出現因致密度不夠而導致的材料力學性能下降，進而無法滿足結構材料的要求，因此如何選擇合適的制備方法制備出高體積分數的B₄C/Al復合材料是解決未來乏燃料貯存高密集化、長期化的一種有效的手段。

發明內容

本發明是要解決現有的高碳化硼含量的B₄C/Al復合材料致密度低、力學性能差以及在1000℃以下碳化硼和鋁液潤濕性差的問題，而提供一種乏燃料貯存格架用高體積分數B₄C/Al復合材料及其制備方法。